[论文解读] The Diphoton Excess Inspired Electroweak Baryogenesis

Wei Chao|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2016

Biofield Effects and Biophysics被引用 31

一句话总结

该论文提出一个模型，解释大型强子对撞机（LHC）观测到的750 GeV双光子过剩现象，其机制为通过环图诱导的胶子融合产生一个CP奇的标量单重态，该单重态由具有异常电荷的标量夸克产生。该标量单重态同时触发两步电弱相变，且标量夸克在气泡壁处的CP破坏相互作用产生手征性不对称性，进而通过弱sphaleron过程生成足够的重子不对称性，成功将双光子过剩与电弱重子生成联系起来。

ABSTRACT

A resonance in the diphoton channel with invariant mass $m_{γγ} = 750$ GeV was claimed by the ATLAS and CMS collaborations at the run-2 LHC with $\sqrt{s}=13$ TeV. In this paper, we explain this diphoton excess as a pseudo-scalar singlet, which is produced at the LHC through gluon fusion with exotic scalar quarks running in the loop. We point out the scalar singlet might trigger a two-step electroweak phase transition, which can be strongly first oder. By assuming there are CP violations associated with interactions of the scalar quarks, the model is found to be able to generate adequate baryon asymmetry of the Universe through the electroweak baryogenesis mechanism. Constraints on the model are studied.

研究动机与目标

• 解释ATLAS和CMS在大型强子对撞机（LHC）观测到的750 GeV双光子共振态为一个CP奇的标量单重态。
• 探讨该共振态是否能触发与电弱重子生成一致的两步电弱相变（EWPT）。
• 研究标量夸克在气泡壁处的CP破坏相互作用是否可通过弱sphaleron跃迁生成足够的重子不对称性。
• 利用Higgs信号强度、电偶极矩（EDM）约束及对撞机对新粒子的搜寻结果对模型进行约束。

提出的方法

• 在标准模型基础上扩展，引入一个复标量单重态S、具有量子数(3,2,7/6)的异常标量夸克双态，以及一个(3,1,2/3)的单重态，均在SM规范对称性下变换。
• 双光子衰变由涉及标量夸克的环图中介，共振态被解释为S的CP奇分量。
• 标量单重态诱导两步电弱相变，气泡壁提供非平衡环境。
• 标量夸克 sector 中的CP破坏三线耦合（A3, A4）生成电荷密度，从而偏置弱sphaleron过程。
• 通过电荷密度的Boltzmann方程求解重子不对称性，最终不对称性由气泡壁前的左手费米子密度积分得出。
• 利用松弛法获得数值解，并施加来自Higgs信号强度、EDM约束及对撞机搜寻的限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 750 GeV双光子过剩能否由通过环图诱导的胶子融合与异常标量夸克产生的CP奇标量单重态解释？
• RQ2 该标量单重态是否能触发强一级的两步电弱相变，从而满足电弱重子生成的要求？
• RQ3 标量夸克在气泡壁处的CP破坏相互作用是否能通过弱sphaleron过程生成足够的重子不对称性？
• RQ4 该模型受到Higgs信号强度、电偶极矩及对新粒子的对撞机搜寻结果的哪些约束？

主要发现

• 该模型成功解释了750 GeV双光子过剩，双光子信号强度μγγ = 0.998，与当前ATLAS和CMS数据一致。
• 标量单重态诱导的两步电弱相变可为强一级相变，满足电弱重子生成的要求。
• 在参数M~Q = 380 GeV，M~T = 450 GeV，|A3| = 120 GeV，Arg[A*3A4] = -π/3下，该模型在M~Q–M~T平面上生成重子不对称性YB/YB^obs ≈ 1.0。
• 该模型避免EDM约束，因为不存在对费米子的宇称破坏Higgs耦合，且CP相位被屏蔽，不受EDM约束。
• 三线耦合A3确保μgg = 0.992，该结果可在未来如CEPC等Higgs工厂中被检验。
• 该模型通过耦合至隐藏 sector 避开对撞机对异常夸克的搜寻，类似于隐式超对称，防止出现长寿命的带电粒子。